utilization d`un eclair lumineux pour la sta- bilization d`un

UTILIZATION D'UN ECLAIR LUMINEUX POUR LA STABILIZATION D'UN SPECTROMETRE DE SCINTILLATION
MANOEL
AMÉRICO
PUBLICAÇÃO
NOGUEIRA
lEA
N."
Dezembro — 1965
DE
ABREU
122
INSTITUTO DE ENERGIA ATÔMICA
Caixa Postal 11049 (Pinheiros)
CIDADE UNIVERSITÁRIA "ARMANDO DE S A L L E S OLIVEIRA"
SÃO PAULO — B R A S I L
UTIKCZA'HON
D'UN ECLAIR LUMIMËUX POUR LA STfflILISATION D'UIV
SPECTROMETRE D E SCINTILLATION
Manoel Américo Kagueira de Abreu
Divisão de Física Nuclear
Instituto de Energia Atómica
Sao Paulo - Brasil
Publicação
lEA
n? 122
Dezembro - 1965
Co«l«aSo Nacional d* Éntrela Kuoltar
President«: Prof.Dr. Lais Cintra do Prado
Dnlversidad» de São Paulo
Reitor: Prof.Dr. Lui* Antonio da Oaaa e Silva
Instituto d< Energía Atómica
Ittntor: Prof.Dr. RômOo Ribalro Pieroni
Conselho T¿cnico.Ci»ntíflco do lEA
Prof.Dr.
Prof.Dr.
Prof.Dr.
Prof.Dr.
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Valtsr Borsani
Rui Ribeiro Franco
Theodoreto R.I. d* Arruda Souto
pela USP
pela CNEN
Divisão de Física Nuclear Chafe: Prof.Dr. Harcello D.S. Santos
Divisão de Radioquíaica Chefe: Prof.Dr. Fausto Walter do Lisa
Divisão de Radiobiología Chefe: Prof.Dr. Hôaulo Ribeiro Pieroni
Divisão de Metalurgia Uuolear Chefe: Prof.Dr. Tharcísio D.S. Santos
Divisão de Kngenharia Química Chefe: Lio. Alcídio Abrão
Divisão de Engenharia Nuclear Chefe: £ng> Pedro Bento de Camargo
Divisão de Operação e Manutenção de Reatores Chefe: Eng« Asor Camargo Penteado Filho
Divisão de Ensino e Formação Chefe: Prof.Dr. Luiz Cintra do Prado (Licenciado)
UnUZACTOJI D'UM ECLAIR LIMIKEUX POUR IA STABIUSATION D'UIJ
SPECTROMETRE DE SCINTILLATION
par
Manoel Américo Nogueira de Abreu
RESUMO
A estabilização com o tempo do ganho total de espectrometros da cintilação, pode ser obtida
tomando-se
de referencia a posição de uma raia artificial
como
parâmetro
conseguida
de pulsos luminosos, de intensidade e de frequência
mercê
pré-fixadas ,
oriundos de uma fonte luminosa (ZTOU). Esta técnic». pode ser utili^
zada em qualquer intervalo de energia e a reprodutibilidade da posição da raia é bastante satisfatória, não
foi observada, em um dia,
deriva maior que o erro experimental.
Uma análise
comparativa das técnicas
propostas para o
controle da estabilidade de espectirometros de cintilação é
teunbém
apresentada.
RESUME
La stabilité, dans le temps, du gain total d'un spectro
metre a scintULation peut être obtenue
en prenant
tre de référenoe la position d'une raie artificielle
comme paramèdue
à
des
éclairs lumineux, d'intensité et de fréquence prédéterminées, provenants d'une source de lumière (ZTOU). Cette méthode est possible
dans n'importe quel
intervale d'énergie et la reprodutibillté
la position de la raie est très satisfaisante.
En vingt et
tre heures nous avons observé une dérive inférieur à l'erreur
perimental .
de
quaex-
On présente une analyse comparative des différentes méthodes décrites dans la littérature pour le contrôle de la stabilité des spectrométres de scintillation»
;u5oTRACT
Ihe time stability of the total gain in a
scintilation
spectrometer can be obtained taking the position of an artificial
line as referential parameter. This line m s prcxiuced by a source
(Z70U) giving light flashes of predetermined frequence and
intensity. Biis technique can be used in any rangs of energy. The
reprodutibility is also very good. The drift lu a day was smaller
than the experimental error.
A comparative analysis with the techniques proposed
in
the literature is presented.
I. IFTRODUCnON
L'étude ©t la détection des fragments de fission en utl^
lisant les méthodes de scintillation présentent toujours deux pro
blêmes qui sont:
a) l'existence d'\m bruit de îosxû des radiations,
sur-
tout alplm, en flux importants.
b) une perte spécifique d'énergie très grande.
Le premier problème exige un scintillateur assez rapide
pour éviter les empilements des impulsions dans les circuits éle£
troniques et le deuxième exige un scintillateur dans lequel
le
nombre de photons émis soit proportionnel à l'énergie cédée
par
la particule quelque soit la perte spécifique d'énergie de oelle-ci. Des études antérieures ont montré que le Xe présente ces pr£
priétés et également un bon rendement de l u m i n e s c e n c e ^ o Pendant
la mise au point d'un scintillateur gazeux rempli avec Xe on a re
marqué deux phéncmènes;
3 .
- diminution du rendement de luminescence avec le temps
et
- -•variation de ce rendement avec le type de pompe à vide utilisée - vapeur d'huile ou vapeur de mercure.
Pour étudier ces phénomènes il faut avoir
stable, avec le temps, de l'ensemble détecteurj
un gain très
problème qui
se
pose toujours quand on utilise un détecteur.
Pour obtenir cette stabilité on a choisi, entre les dif
férents méthodes décrites dans la littérature celle
qui consiste
à créer une raie dans le spectre détecté par un scintillateur
en
utilisant xme lampe à éclairs.
Une synthèse de la méthode choisie et de ses performances est exposée ci-après.
II.
METHODES DE REGUIATIOH DU GAIH
La méthode de spectrométrie à scintillation
donne
un
bon rapport efficacité - résolution en énergie, mais quelquefois
il faut xai temps de comptage très long d' où la nécessité d'avoir
une très bonne stabilité du gain de l'ensemble.
Ito très grand nombre de méthodes ont été présentées dans
(2)
la littérature^ ^ desquelles nous allons rappeler les différents
principes.
II«A/
Principe de fonctionnement
On suppose l'existence d'une raie suffisament intoase et
nettement marquée à l'intérieiu? du spectre à étudier, et dont
l'
intensité ne doit pas varier pendant tout le temps que dure la me^
sixpe. La position de cette raie détermine les variations que l'on
doit introduire dans le gain pour compenser cettes variations.
Toutes les méthodes proposées sont des artifices que l'on utilise
pour maintenir au même endroit 1 emplacement
peut être crée par
de cette raie,
qui
une source auxiliaire que l'on incorpore
au
système de détection, parce que dans beaucoup de cas les raies pré
sentées par le spectre n'ont pas les caractéristiques
demandées»
Cette solution présente l'avantage de permettre le choix d'une
raie nette et suffisamment intense, mais demande un changement de
la source lorsque l'on veut travailler dans un interval d'énergie
différent et apporte des changements parfois indésirables au spe£
tre que l'on veut étudier. Il existe une variante à cette deuxième solution, qui est l'introduction d'une raie artificielle
dans
le spectre à l'aide d'une source d'impulsions lumineuses.
Ce procédé présente les avantages suivants:
- On peut faire varier facilement la position de la raie
par rapport au spectre et adapter ainsi la raie à
importe quel spectre en Jouant sur l'ouverttire
n'
d'un
diaphragme.
- La largueur d'une telle raie spectrale est très petite et sont intensité peut être choisie arbitrairement.
D'autre coté il y a toujours un bruit de fond indésirable introduit par le courant d'ajuorçage, mais on peut atténuer cet
effet en ne fç.isant la régulation que de temps en temps.
II.B/
Description
Pour utiliser cette méthode on a besoin d'un gaiérateur
d'impulsions Ixanineuses qui sera composé d'une lampe à éclairs et
d'un appareillage d'amorçage.
II.B-l/
Lampe à éclairs
Le type de lampe choisi doit fournir une impulsion lumi
n^euse ayant les caractéristiques suivantes;
« 5
- avoir un spectre le plus proche possible de celui
du
rayonnement fluorescent de la substance scintillante.
- avoir une fréquence constante.
- avoir un nombre de photons, par impulsions, à peu près
constant.
- enfin, pour la commodité de montage, la lampe doit
être de dimensions assez réduites.
II,B-2/
Types de générateurs d'impulsions lumineuses
Plusieurs types sont utilisés dans cette méthode.
On
peut citer parmi eux:
a ) générateurs d'éclairs à triode
Ce sont des triodes avec un écran qui émet des éclairs
lumineux lorsqu'il reçoit l'impact d'un faisceau d'électrons.
Ce
faisceau est controle par une grille qui se trouve normalement
a
un potentiel inférieur au "cuttoff", lequel reçoit des impulsions
positives produites par la décharge d'une ligne à travers
un re-
lais à mercure. Ce générateur présente les avantages d'avoir
une
impulsion lumineuse d'un temps de montée de 1 ns, une descente ex
ponentielle ayant la constante de temps de la substance phospho rescente (55 n s ) . La largeur d'impulsion peut varier (Jusqu'à
Ijts)
et aussi la fréquence. La triode présente les incovénients d'etre
de dimensions très grande (cylindre 0 2,5
cm ; longueur 10 cm)
et
d'un prix très élevé.
b) des tubes à rayons cathodiques
Les éclairs sont produits par la phosphorescence
d'
un écran balayé par un faisceau d'électrons. Ce type présente les
mêmes inconvénients que celui décrit ci-dessus.
c) des disques troués tournant devant une lampe allxxmée
. 6 ,
Ces générateurs présentent des problèmes de montage méCEinique et des manipulation.
d) des tubes à décharge gazeuse
Le tube s'allume toutes le fois que la tension ap^li^
quée à ses bornes dépasse la tension d'amorçage. Cette tension d'
amorçage peut être fortement diminuée par une faible décharge auxiliaire entre une électrode principale et une électrode auxiliai_
re. Cet ensemble présente les avantages suivants:
- d'etre très petit (cylindre 0 1 cm, longueia'2,5 cm)
- de pouvoir fonctionner à une fréquence variable jusqu'
à 5 KH
- de présenter un éclairage intense qui permet de
tra-
vailler dans un grand Intervalle d'énergie.
Malheureusement il faut tenir compte du temps de désionisation très grand (100/is) et du spectre d'émission qui est net
tement différent de celui du rayonnement.fluorescent de la
subs-
tance scintillante. Malgré ces inconvénients on utilisera ce dernier type de générateur car il est le plus pratique
au point
vue du monteige mécanique, le moins cher, de caractéristiques
de
de
stabilité très satisfaisantes et on peut diminuer beaucoup la durée des éclairs
II.B-3/
Appareillage d'amorçage
La lampe à éclairs choisie est la Z70U, qui a une haute
sensibilité à l'entrée, mais un temps de désionisation très grand.
Pour cela il faut éviter que des amorçages non voulus puissent se
produire et 11 faut obtenir une extinction rapide de la décharge.
Le circuit doit donc fournir, pendant le repos aux
bornes de
la
lampe, une tension bien au dessous de la tension d'amorçage. Pour
se produire l'éclair l'impulsion doit avoir un temps de montée et
de descente très court.
. 7 .
On a obtenu des impulsions lumineuses de 1,2
de montée, avec le circuit proposé par Haun
pose essentiellement de
deux
us de temps
. Ce circuit se coin-
monovibrateurs et
d'une
éclairs, La tension d'amorçage de la Z70U est d'environ
Dans l'état stable, la tension appliquée
la lampe est de 80V
lampe
110 V .
aux bornes
et entre la cathode et l'électrode
à
de
auxiliaire
elle est au dessus de la tension de travail. Un générateur d'impul
sions positives déclenche le premier monovibrateur en
produissant
une diminution du potentiel de la cathode de la lampe à éclair.Ain
si la tension d'ajuorçage est dépassée de beaucoup, en une micro-se
conde, et la décharge auxiliaire est intensifiée. Quand le premier
monovibrateur arrive à l'état métastable il
commence à
retourner
à l'état stable et cela déclenche le de\Axième monovibrateur ce qui
conduit à diminuer fortement la constante de temps du premier, fai
sant ainsi monter très vite la tension de la cathode de la lampe à
éclair et éteindre la décharge dans le gaz.
II.B-V
Montée
Eous avons essayé le circuit dans un montage décrit
la figure 1, Un. photo-multiplicateur
dans
AVP est monté sur un cris-
tal Hal(Tl) dans lequel la lumière entre par une fenêtre latérale.
La quantité de lumière qui entre dans le cristal est réglée par un
diaphragme.
m.
RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX
Après quelques essais nous sommes arrivés à des résultats
satisfaisants pour la manipulation envisagée, résultats que
nous
allons décrive ci-après.
III.A/
Impulsions d'amorçage
Nous avons étudié les impulsions d'amorçage, c'est-à.-di-
. 8
re celles qui stmorcent la décharge dans la lampe a eclairs, en fai
sant varier les tensions de polarisation (positive et négative) et
quelques composants du circuit.
Nous avons eu pour but d'obtenir une impulsion plus rapi^
de et exempté de parasites; nous avions besoin de surveiller la ste
bilité de l'emplacement de la raie spectrale artificielle par
ob-
servation de l'impulsion de sortie du photomultiplicateur» La figu
re 2 montre les impulsions de déclenchement, d e sortie du
circuit
d'amorçage et de sortie du photoraultiplicateur. On peut avoir deux
impulsions d'amorçage, mais en faisant varier les polarisations du
circuit d'amorçage on a éliminé la deuxième impulsion. Il est à no
ter que si nous conservons les deux impulsions et en employant
l'
une ou l'autre nous pourrions éviter l'emploi du diaphragme. Ehfin
il faut remarquer que malgré les essais sur le circuit d'amorçage
la durée de l'impulsion de la sortie du photomuitiplicateur n'a Ja
mais été inférieur à 60 /xs.
IIIOB/
Spectre de la raie lumineuse
Pour étudier le fonctionnement de l'ensemble nous
avons
analysé le spectre émis d'une part avec la lampe à éclairs et d'au
157
tre part avec des sources de radiation gamma, Cs
et Po-Be.
III.B-l/
Bruit de fond
La figure h montre le spectre du bruit de fond introduit
seulement par la lampe à éclairs. On peut voir que celle-ci produit
de petits éclairs même quand on n'a pas d'impulsion de déclenche ment, mais qui s'éteignent si on coupe la haute tension du circuit
d'amorçage»
III.B-2/
Résolution
D'après la figure 5 on peut voir que les deux raies lumi^
neuses ont une résolution de 8^.
Nous avons essayé d'améliorer
la
. 9 .
résolution en Jouant sur les tensions de polarisation et la forme
de l'impulsion d'entrée, mais le résultat de 8^ suffit actuelle ment pour la manipulation envisagée,
III.B-5/
Emplacement
Pour comparer la raie lumineuse avec les raies dues aux
sources de radiation gamma nous avons fait varier l'ouverture
du
diaphragme. La figure 6 montre deux emplacements différents de la
raie lumineuse que novus avons réussie à obtenir à peu près de
137
même amplitude que celles dues au Cs
et Po-Be.
la
/V
"III.B-V
yréquence
D'après l'étude du circuit d'amorçage on peut voir
que
la fréquence des éclairs est commandée par la fréquence de l'im pulsion qui déclenche le circuit d'amorçage. Comme celle-ci
est
donnée par un générateur on peut faire varier le taux de comptage
de la raie lumineuse en faisant varier la fréquence. Dans la figu
re 6 on peut voir que les taux de comptage de la raie lumineuse et
des raies dues à la radiation gamma sont à peu près égaux,
III.B-5/
Stabilité
Les études faites sur les lampes à éclairs par MM,
Pascal et Breuze ont montré que la stabilité de la raie lumineuse
est d'environ 0,5^«
Après une série de cinq essais faits
pendant
une journée nous avons trouvé que les raies liimineuses ont eu une
dérive de (0,6
- 0,5)^
par rapport aiix raies du Cs -
et du Po-Be
(tableau l ) .
IV.
CONCLUSION
La méthode ici proposée permet d'obtenir une ligne
d«
référence dans le spectre analysé qui a les avantages suivantssun
ETombre de photons par impulsion a peu près constantj une frequen-
. 10 .
ce ajustable au taux désiré et un changement négligeable du spectre original. Par contre elle présentes une durée des éclairs lumineux très grande, caractéristique qu'on pourra améliorer endnaa
géant la Z70U par une source lumineuse plus rapide; et une résolu
tion de la même grandeur que celle présentée par les raies du cids
tal.
TABLEAU
Essai
I
"Energie" de la Raie Lumineuse
(KeV)
Raie
1
a
h
5
moyene
1
Raie 2
h20 - 95
J>h60 t 20
hOO î 95
3^70 - 20
kok t 95
ji^o - 20
kk6 t 90
3500 - 20
390 - 80
3kko - 20
kio - 50
3^70 - 10
RCTIERCIEMENTS
Nous remercions messieurs H. Nifenecker et R. Joly pour
l'orientation donnée à l'élaboration de ce travail et Monsieur J.
Pagot poiir son aide apportée à la rédaction.
Nous remercions aussi le C.E.A. du gouvernement français
et a la C.N.E.N. du gouvernement brésilien d'avoir rendu
ce séjour
possible
au C.E.N. de Saclay.
REt'EHENC^
1.
I^ydie Koch - Rapport C.E.A. n? 1532
2.
G. Haxaij D. Kambe - Nuclear Instrument and Methods
3-
H.J. Rijks - Nucl. Instr. and Meth. l4(6l)76
k.
I.R.E. Transactions Nuclear Science N.3.9(62)151
5.
S.A.. Pollack - Journal of Applied Physics - Vol. 36
nov. 1965 - 3^59
8(60)531
n? 1 1
. 11
12 .
m,
2
CRISTAL
PHOTOMOLTIPLICATETO
CIRCDIT
D'AMORÇAGE
HAUTE
TEHSIOH
GENERATEUR
D'IMPULSION
SOUBCK DE LDHIËBS
HAUTE
TENSION
ANALISATEUR
DE BAUTEUR
D'IHPOLSIOH
. 15
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T/M
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Raie Lumineuse - I
(Bruit de Fond)
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Raie Lunlneuse ~ II
Raie Lumineuse - I
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S
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(Caiîaux)
250